單壁碳納米管水平陣列及其制備方法與應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種單壁碳納米管水平陣列及其制備方法與應(yīng)用。該方法如下步驟：向單晶生長(zhǎng)基底中進(jìn)行離子注入后退火，在化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中通入氫氣進(jìn)行還原反應(yīng)，并保持氫氣的繼續(xù)通入進(jìn)行陣列的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)完畢即在所述單晶生長(zhǎng)基底上得到所述單壁碳納米管水平陣列。該方法具有簡(jiǎn)單高效，與現(xiàn)有微納工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)大面積均勻可控，適合規(guī)模化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。并且，通過(guò)調(diào)控離子注入的能量和劑量，選擇合適的催化劑和基底，有望實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管水平陣列的可控制備和大規(guī)模生產(chǎn)，因此本方法在納電子器件等領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，涉及一種單壁碳納米管水平陣列及其制備方法與應(yīng)用。
技術(shù)介紹
單壁碳納米管獨(dú)特而完美的結(jié)構(gòu)賦予了它優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)，因此一直受到科學(xué)家們的極大關(guān)注。如今，基于單壁碳納米管的場(chǎng)效應(yīng)晶體管、場(chǎng)發(fā)射器、化學(xué)傳感器等器件基元也已經(jīng)被成功構(gòu)建，這給我們展示了單壁碳納米管未來(lái)應(yīng)用的美好前景。然而在由單根單壁碳納米管構(gòu)建的電子器件表現(xiàn)出諸多優(yōu)異性能的同時(shí)，單壁碳納米管在電路中的規(guī)模集成依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此在基底上大批量制備單壁碳納米管水平陣列是其在納電子器件中廣泛應(yīng)用的前提。目前，用于合成單壁碳納米管水平陣列的催化劑的制備方法主要包括兩種，一種是電子束蒸鍍、熱蒸鍍、磁控濺射等氣相沉積法，另一種是微接觸印刷、機(jī)械劃刻、旋涂、浸漬提拉等液相沉積法。氣相沉積法和現(xiàn)有微納工藝兼容，但最后所形成的納米顆粒只能靠高溫氧化和還原過(guò)程中薄膜隨機(jī)分裂形成，聚集嚴(yán)重，其大小、數(shù)目和位置難以控制。液相法對(duì)設(shè)備要求低，成本低廉，但用現(xiàn)有方法不易得到大尺寸樣品。此外，液相法受限于催化劑前軀體濃度，無(wú)法獲得直徑大范圍可調(diào)的納米顆粒。因此，專(zhuān)利技術(shù)一種簡(jiǎn)單高效、易于實(shí)現(xiàn)大面積均勻可控，適合規(guī)模化生產(chǎn)，用于合成單壁碳納米管水平陣列的催化劑的制備方法及其應(yīng)用顯得至關(guān)重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的是提供一種單壁碳納米管水平陣列及其制備方法與應(yīng)用。本專(zhuān)利技術(shù)提供的制備單壁碳納米管水平陣列的方法，包括如下步驟：向單晶生長(zhǎng)基底中進(jìn)行離子注入后退火，在化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中通入氫氣進(jìn)行還原反應(yīng)，并保持氫氣的繼續(xù)通入進(jìn)行陣列的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)完畢即在所述單晶生長(zhǎng)基底上得到所述單壁碳納米管水平陣列。上述方法中，構(gòu)成所述單晶生長(zhǎng)基底的材料為ST切石英、R切石英、a面α氧化鋁、r面α氧化鋁、氧化鎂；所述離子選自下述元素中的至少一種：Fe、Co、Ni、Cu、Au、Mo、Zn、W、Ru、Cr、Rh、V、Ti、Al、Mg和Pd、B、P和As。所述方法還包括如下步驟：在所述離子注入步驟之前，將所述單晶生長(zhǎng)基底進(jìn)行預(yù)處理；所述預(yù)處理具體包括如下步驟：將所述單晶生長(zhǎng)基底依次在超純水、丙酮、乙醇和超純水中各超聲清洗10min，再用氮?dú)獯蹈珊螅糜隈R弗爐中，在2h內(nèi)由室溫升至1100℃恒溫8h，再在10h內(nèi)降溫至300℃，再自然降溫至室溫。此過(guò)程用來(lái)修復(fù)由于生產(chǎn)加工過(guò)程中產(chǎn)生的晶格缺陷。所述離子注入步驟中，注入能量15KeV～200KeV，具體為30-50KeV，注入劑量1×1014～1×1018ions/cm2，具體為5×1015ions/cm2；真空度為1×10-3-1×10-7Pa，具體為1×10-5Pa。所述退火步驟中，溫度為900-1300℃，具體為1100℃，退火時(shí)間為2-24h，具體為8小時(shí)。該步驟是為了修復(fù)離子注入破壞了的單晶基底表面，以及消除單晶基底內(nèi)部因離子注入產(chǎn)生的損傷；所述還原反應(yīng)步驟中，還原氣氛為氫氣氣氛；氫氣的氣體流量為30-500sccm，具體為100-300sccm；還原時(shí)間為1min-30min，具體為5min；該步驟的目的是為了還原作為催化劑的離子；所述陣列的生長(zhǎng)步驟中，所用碳源為在700℃～1000℃反應(yīng)溫度下比較容易裂解的含碳?xì)怏w或蒸汽壓較大并易裂解的含碳液體，具體可為CH4、C2H4、乙醇或異丙醇；乙醇碳源是通過(guò)Ar氣鼓泡乙醇溶液產(chǎn)生的；具體可為CH4、C2H4、乙醇或異丙醇；碳源的氣體流量為10-500sccm，具體為50sccm；生長(zhǎng)時(shí)間為1min～1h，具體為15min；所述還原反應(yīng)和陣列的生長(zhǎng)步驟中，溫度均為700-1000℃，具體為810℃-850℃；所用載氣均為氮?dú)饣驓鍤猓凰鲚d氣的氣流流量為50-500sccm，具體為100-300sccm。所述方法還包括如下步驟：在所述化學(xué)氣相沉積步驟之后，將體系降溫；所述降溫具體為自然降溫或程序控制降溫。另外，按照上述方法制備得到的單壁碳納米管水平陣列，也屬于本專(zhuān)利技術(shù)的保護(hù)范圍。其中，所述單壁碳納米管水平陣列的密度超過(guò)100根/微米，具體可為50-120根/微米。本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)離子注入的方法，選擇多種離子作為催化劑，注入多種適合單壁碳納米管水平陣列生長(zhǎng)的基底中，通過(guò)熱處理，消除離子注入對(duì)基底的損傷，得到可以生長(zhǎng)高密度單壁碳納米管水平陣列的單晶生長(zhǎng)基底。用這種基底進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，成功制備出高密度單壁碳納米管水平陣列，高分辨率掃描電子顯微鏡(SEM)表征其密度超過(guò)100根/微米。本專(zhuān)利技術(shù)提供的用于合成單壁碳納米管水平陣列的催化劑的制備方法及其應(yīng)用，與一般制備方法相比，具有簡(jiǎn)單高效，與現(xiàn)有微納工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)大面積均勻可控，適合規(guī)模化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。并且，通過(guò)調(diào)控離子注入的能量和劑量，選擇合適的催化劑和基底，有望實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管水平陣列的可控制備和大規(guī)模生產(chǎn)，因此本方法在納電子器件等領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景。附圖說(shuō)明圖1為a面α氧化鋁單晶基底表面原子力顯微鏡(AFM)圖；其中，a)為第一次退火后的，b)為離子注入后的，c)為第二次退火后的。圖2為Fe離子在氧化鋁基底中的深度分布圖。圖3為注Fe離子生長(zhǎng)出的高密度單壁碳納米管水平陣列的SEM圖；其中，a)，b)為同一樣品不同放大倍數(shù)下的SEM圖,對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺大小分別為50μm和200nm。圖4為注B離子生長(zhǎng)出的高密度單壁碳納米管水平陣列的SEM圖；其中，a)，b)為同一樣品不同放大倍數(shù)下的SEM圖,對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺大小分別為50μm和200nm。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)作進(jìn)一步闡述，但本專(zhuān)利技術(shù)并不限于以下實(shí)施例。所述方法如無(wú)特別說(shuō)明均為常規(guī)方法。所述原材料如無(wú)特別說(shuō)明均能從公開(kāi)商業(yè)途徑而得。實(shí)施例11)選用a面α氧化鋁單晶基底作為碳納米管生長(zhǎng)的基底，依次在超純水、丙酮、乙醇和超純水中各超聲清洗10min，再用高純氮?dú)獯蹈伞⑶逑锤蓛舻幕追湃腭R弗爐中，空氣中高溫退火，2h升到1100℃，在1100℃恒溫8h，再10小時(shí)降溫至300℃，自然降溫冷卻，此過(guò)程用來(lái)修復(fù)由于生產(chǎn)加工過(guò)程中產(chǎn)生的晶格缺陷，其表面形貌如圖1a)所示，平整、均勻，沒(méi)有顆粒。2)注入離子選用Fe離子，以考夫曼源注入，注入能量為50KeV，真空度為1×10-5Pa，注入劑量5×1015ions/cm2。離子注入完成后，利用X射線光電子能譜(XPS)表征Fe離子在氧化鋁基底中的深度分布，如圖2，結(jié)果顯示Fe離子確實(shí)進(jìn)入氧化鋁單晶基底內(nèi)部，且基底表面不含鐵。本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種制備單壁碳納米管水平陣列的方法，包括如下步驟：向單晶生長(zhǎng)基底中進(jìn)行離子注入后退火，在化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中通入氫氣進(jìn)行還原反應(yīng)，并保持氫氣的繼續(xù)通入進(jìn)行陣列的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)完畢即在所述單晶生長(zhǎng)基底上得到所述單壁碳納米管水平陣列。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種制備單壁碳納米管水平陣列的方法，包括如下步驟：
向單晶生長(zhǎng)基底中進(jìn)行離子注入后退火，在化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中通入氫氣進(jìn)行還
原反應(yīng)，并保持氫氣的繼續(xù)通入進(jìn)行陣列的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)完畢即在所述單晶生長(zhǎng)基底上
得到所述單壁碳納米管水平陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：構(gòu)成所述單晶生長(zhǎng)基底的材料為
ST切石英、R切石英、a面α氧化鋁、r面α氧化鋁、氧化鎂；
所述離子選自下述元素中的至少一種：Fe、Co、Ni、Cu、Au、Mo、Zn、W、Ru、
Cr、Rh、V、Ti、Al、Mg和Pd、B、P和As。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述方法還包括如下步驟：
在所述離子注入步驟之前，將所述單晶生長(zhǎng)基底進(jìn)行預(yù)處理；
所述預(yù)處理具體包括如下步驟：
將所述單晶生長(zhǎng)基底依次在超純水、丙酮、乙醇和超純水中各超聲清洗10min，
再用氮?dú)獯蹈珊螅糜隈R弗爐中，在2h內(nèi)由室溫升至1100℃恒溫8h，再在10h內(nèi)降
溫至300℃，再自然降溫至室溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：所述離子注入步驟中，注入
能量15KeV～200KeV，具體為30-50KeV，注入劑量1×1014～1×1018ions/cm2，具體為
5×1015ions/cm2；真空度為1×10-3-1×10-7Pa，...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張錦，康黎星，胡悅，趙秋辰，張樹(shù)辰，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：北京大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11